نحوه عملکرد برج خنک کننده – روش های کاهش دمای آب
از دیرباز تا کنون از آب به عنوان سیالی جهت انتقال حرارت در کاربری های مختلف استفاده شده است. در صنایع مختلف آب نقش حیاتی را ایفا می کند و تقریبا به سختی می توان جایگزینی برای آن یافت. برج خنک کننده مکانیزمی است که برای انتقال گرما در تجهیزات مختلف بکار گرفته می شود و مهمترین بخش آن تبادل حرارت توسط آب می باشد. آب با دمای بالاتر وارد برج خنک کن می گردد و گرمای حاصل از جریان آب به جریان هوا منتقل شده، دمای هوا و رطوبت نسبی آن را افزایش می دهد و این هوا به جو تخلیه می شود. این ساده ترین توصیف از نحوه عملکرد این مکانیزم آبی می باشد. نوع حذف حرارت در برج خنک کننده از نوع تبخیری است. این بدان معناست که مقداری از آب در جریان برج، در طی فرآیند خنک کاری تبخیر می گردد و می بایست جهت جبران این مقدار حذف شده از سیستم، از آب جبرانی یا همان make up استفاده کرد. امروزه از برج های خنک کننده در صنایع مختلفی استفاده می شود مانند:
کارخانجات فولاد ، صنایع تهویه مطبوع ، ژنراتور نیروگاههای اتمی، پتروشیمی و بسیاری از صنایع دیگر. از برج های خنک کننده بتنی معمولا در نیروگاهها و برای جریان آب بالای ۴۵۰۰۰ متر مکعب استفاده می شود که روش انتقال حرارت در آنها بصورت جریان طبیعی می باشد. در صنایع کوچکتر و تهویه مطبوع ، معمولا از برج خنک کننده با جریان اجباری استفاده می شود. یعنی گرمای تولیدی در سیستم بواسطه فن های بزرگی به اتمسفر تخلیه می گردد. میزان راندمان و خنک کاری برج های خنک کننده جریان اجباری به رطوبت هوا، دمای آب، قطر فن و سرعت آنها بستگی دارد. از سوی دیگر، نوع جریان هوا در این نوع برجها به ۲ مدل جریان متقاطع ( Cross Flow) و جریان مخالف ( Counter Flow) تقسیم می شوند که در ادامه بیشتر با آن ها آشنا خواهیم شد.
نحوه عملکرد انواع برج های خنک کننده در اصل بسیار مشابه یکدیگر است و آنها تنها در نوع جریان آب و هوا با یکدیگر متفاوت می باشند. به عنوان مثال در برج جریان متقاطع (Cross Flow) آب گرم ورودی به برج از بالای آن توسط نازل های پاشش آب به سمت پایین و بر روی پکینگهای تعبیه شده در پایین دست آن ریخته می شود. جریان هوای محیط نیز از کنارههای برج خنک کننده و با عبور از روی پکینگها به داخل برج وارد می شود. حال به کمک سطح تبادل حرارت ایجاد شده ( پکینگها) و تداخل آب گرم و هوا به یکدیگر، درجه حرارت آب کاهش یافته و به انتهای برج، جایی که مخزن ذخیره ( تشتک ) قرار دارد، می ریزد. در نوع انتقال حرارت اجباری که توسط فن صورت می گیرد، فن در حال کار نیز، گرمای حاصله از این فرایند را به اتمسفر تخلیه می کند.
اما با اندکی تفاوت در نحوه ورود جریان هوای محیطی به داخال برج، می توان به برج خنک کننده با جریان مخالف ( Counter Flow) رسید. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود، سیال با دمای بالاتر(آب) ، از بالای برج جریان می یابد و هوا از پایین ترین قسمت برج وارد شده و به سمت بالا حرکت میکند. هوا پس از برخورد به آب گرم پاشیده شده بر روی پکینگها، درجه حرارت آب را کاهش داده و آب خنک شده مسیر بازگشت به سیکل تبرید را از پیش می گیرد.
یکی از دلایل مهمی که باعث می شود برج های خنک کننده، راندمان بهتری نسبت به خنک کننده های خشک (Dry Cooler) داشته باشند این است که سطح مرطوب (حباب تر) همواره پتانسیل بسیار بالاتری نسبت به سطح خشک برای خنک کاری دارند. مهمترین اجزاء تشکیل دهنده برج خنک کننده عبارتست از : فن، سیستم توزیع آب و نازل ها، پکینگها، بدنه، تشتک و قطره گیر.
فن های مورد استفاده می توانند از نوع محوری یا سانتریفیوژ باشند. نکته حائز اهمیت در فن ها، سطح صدا و میزان مصرف انرژی است . هر چه انرژی مصرفی کمتر باشد، راندمان برج بهتر خواهد بود.
برای ایجاد سطح مناسب جهت تبادل حرارت در برج خنک کننده از (Fill Packing) یا همان پکینگ ها استفاده می شود. طراحی این صفحات بصورت شبکه ای است که با قرارگیری آنها در کنار یکدیگر، سطح اصطلاحا لانه زنبوری را ایجاد می کنند. این صفحات سهم بسزایی را در کاهش سرعت آب و خنک کاری جریان آب بر عهده دارند.
قطره گیرها وظیفه جلوگیری از پراکندگی قطرات آب و ممانعت از خروج آن ها از محیط برج خنک کننده را بر عهده دارند. در برج خنک کننده که آب توسط نازل به قطرات کوچک تبدیل می شود و هوا با سرعت زیاد از داخل پکینگها به سمت بالا حرکت می کند، برای حذف قطرات آب از جریان هوا و ممانعت از اتلاف آب از طریق ماندن قطرات مایع در هوا، از قطره گیر در با لای نازل های توزیع کننده آب در برج خنک کننده استفاده می شود.
تشتک یا مخزن جمع آوری آب سرد: در قسمت انتهایی برج خنک کننده قرار دارد و وظیفه آن ، جمع آوری جریان آبی است که گرمای خود را به هوا انتقال داده و به دمای نرمال رسیده، می باشد. این آب سرد شده می بایست توسط پمپ به مدار تبرید باز میگردد.
جنس بدنه: برج های خنک کننده می تواند از مواد مختلفی همچون بتن ، ورقه های فلزی و یا فایبرگلاس ساخته شود. در کاربردهای نیروگاهی ، بیشتر برجهای خنک کننده به دلیل ظرفیت خنک کاری آنها دارای ابعادی بزرگ می باشند که می تواند تا ۲۰ متر ارتفاع داشته باشد. این سازها معمولا” از بتن ساخته می شود. اما در کاربری های دیگر در صنایع مختلف می توان با توجه به ظرفیت ، آنها را از ورقه های فلزی و یا فایبرگلاس که وزن کم و قابلیت نصب آسان دارند تهیه می نمایند.
یکی از بخش های مهم در برج خنک کننده ، مدار توزیع جریان آب گرم ورودی است. سیال گرم ورودی به برج بواسطه سیستم پایپینگ و مسیرهای تعبیه شده در آن و به کمک نازل های پاشش آب ، جهت خنک کاری بر روی صفحات مناسب تبادل حرارت پاشیده میشود. در این سیستم می بایست مواردی همچون افت فشار و مشکلات ناشی از یخ زدگی در نظر گرفته شود، به طوری که هزینه های بهره برداری آن اقتصادی باشد.
در تمامی کتب و جداول فنی ، به چندین گزینه مهم که جهت انتخاب برج خنک کننده نیاز است اشاره شده است . از مهمترین آیتم ها می توان به درصد رطوبت موجود در هوای هر شهر، ارتفاع از سطح دریا، میزان جریان آب در حال گردش در برج و همینطور دمای استاندارد آب ورودی و خروجی به برج خنک کننده اشاره نمود. جهت آشنایی بیشتر با موارد مهم ، در زیر توضیحات مختصری ارائه شده است.
دمای حباب خشک (Dry Bulb Temperature) معمولا همان دمای محیط پیرامون ماست . وقتی ما به دمای هوا در یک روز عادی اشاره می کنیم، در واقع داریم به همان هوای خشک اشاره می کنیم. در حقیقت ، دمای خشک را می توان به راحتی ، آزادانه و با استفاده از یک دماسنج اندازه گرفت.
در حقیقت، دمای حباب تر (Wet Bulb Temperature)، حداقل دمایی است که هوا می تواند بواسطه تبخیر آب در فشار ثابت، خنک شود. در انتخاب ظرفیت برج خنک کننده ، هر چه میزان رطوبت محیط بالاتر باشد، به برج خنک کننده بزرگتری جهت رسیدن به دمای مشخصی نیاز است و بر عکس، هر چه رطوبت محیط کمتر باشد، سایز برج خنک کننده کوچکتر می شود در نتیجه هزینه های بهره برداری نیز کاهش می یابد.
